Assemblages membrane-électrodes exempts de métaux précieux pour l’électrolyse de l’eau à électrolyte polymère solide

Noble metals free Membrane Electrode Assemblies for solid polymer electrolyte water electrolysis

• Auteur / Autrice : Nsélé Mbemba Kiele
• Direction : Pierre Millet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie. Electrochimie
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Chimie de Paris-Sud (Orsay, Essonne ; 2006-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physico-Chimie de l'Etat Solide (Orsay)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Pierre Mahy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Millet, Jean-Pierre Mahy, Jean-François Fauvarque, Marian Chatenet, Nicolas Guillet, Christophe Lombard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-François Fauvarque, Marian Chatenet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conduction protonique

Clathrochélates

Polyoxométallates

Électrolyse

Hydrogène

Électrochimie

Mots clés libres

Electrolyte polymère solide

Conduction par ions hydroxyles

Résumé

Ce travail concerne la production d’hydrogène et d’oxygène de pureté électrolytique par électrolyse de l’eau selon le procédé à électrolyte polymère solide. Dans l’état de l’art, les électrolyseurs industriels utilisent des catalyseurs à base de métaux précieux : le platine est utilisé à la cathode pour promouvoir la réaction de dégagement d’hydrogène moléculaire et l’iridium ou ses oxydes sont utilisés à l’anode pour promouvoir la réaction de dégagement d’oxygène moléculaire. En dépit de nombreux avantages, l’emploi de ces métaux précieux constitue un frein au développement à grande échelle de cette technologie d’électrolyse. Dans ce mémoire de thèse, nous présentons un ensemble de résultats relatifs à la synthèse et à la caractérisation électrochimique d’assemblages membrane – électrodes exempts de métaux précieux. Nous montrons que des polyoxométalates ou des clathrochélates de cobalt peuvent être utilisés à la place du platine pour le dégagement d’hydrogène et que des complexes moléculaires de ruthénium peuvent être utilisés à la place de l’iridium pour le dégagement d’oxygène. Nous présentons également un ensemble de résultats obtenus en utilisant des matériaux polymères à conduction par ions hydroxyles. Les performances de ces nouvelles cellules d’électrolyse sont comparées à celles obtenues avec des catalyseurs conventionnels à base de métaux précieux.

The work presented here is related to the production of hydrogen and oxygen of electrolytic grade using SPE (Solid Polymer Electrolyte) water electrolysis. In state-of-the-art technology, noble metals are used as electro catalysts: platinum is used at the cathode for the hydrogen evolution reaction and iridium (or its oxides) is used at the anode for the oxygen evolution reaction. Because of their costs, noble metals are limiting the large scale development of this technology, in spite of other advantages. We report here on results obtained concerning the manufacturing and electrochemical characterization of noble-metals-free Membrane Electrode Assemblies (MEA). It is shown that polyoxometalates or cobalt clathrochelates can be used in place of platinum for the hydrogen evolution reaction and that molecular complexes of ruthenium can be used in place of iridium for the oxygen evolution reaction. Additional results related to the development and characterization of anion-conducting polymers are also presented. The electrochemical performances of these new SPE cells are compared to those measured on conventional cells with noble metals.